電子測(cè)量4第1部分匯編

1、第4章 電壓(diny)的測(cè)量?jī)?nèi)容提要(ni rn t yo)： 分析電壓信號(hào)的特點(diǎn)、交流電壓信號(hào)的表征形式和表征量值的相互轉(zhuǎn)換；介紹直流電壓、交流電壓和電平的測(cè)量方案；對(duì)常用的模擬直流電壓表、交流電壓表、電子電壓表的構(gòu)成和工作原理進(jìn)行分析；并介紹基于電壓測(cè)量的其它參數(shù)的測(cè)量方法。共四十六頁了解電壓信號(hào)的特點(diǎn)；掌握交流電壓信號(hào)的表征形式和表征量值的相互轉(zhuǎn)換；掌握電壓測(cè)量?jī)x器的工作(gngzu)原理，能提出電壓測(cè)量系統(tǒng)方案。交流電壓信號(hào)(xnho)的表征形式和表征量值的相互轉(zhuǎn)換。 重點(diǎn)：難點(diǎn)：共四十六頁本章使用的主要(zhyo)儀器 模擬(mn)萬用表 數(shù)字萬用表共四十六頁有效值數(shù)字(shz)萬

2、用表 圖形萬用表 多重顯示數(shù)字(shz)多用表 共四十六頁臺(tái)式數(shù)字(shz)多用表共四十六頁有效值電壓(diny)(電平)表共四十六頁超高頻毫伏表共四十六頁視頻(shpn)毫伏表共四十六頁 電壓是最常用的表征電信號(hào)能量大小的基本參數(shù)。 電路中電流的狀態(tài)可用電壓形式來描述；電參數(shù)也可視為電壓的派生量；許多(xdu)電子測(cè)量?jī)x器都用電壓量作指示。因此，電壓測(cè)量是其他許多(xdu)電參數(shù)量，也包括非電參數(shù)量測(cè)量的基礎(chǔ)，是相當(dāng)重要和相當(dāng)普及的一種參數(shù)測(cè)量。4.1 概述(i sh)共四十六頁電壓主要具有(jyu)以下幾個(gè)特征： 量值的范圍寬 波形的多樣化 頻率各不相同 不同端點(diǎn)的輸出阻抗不同 電壓成分多

3、樣化常見的波形如圖4.1所示。1.電壓(diny)的主要特征共四十六頁共四十六頁 一個(gè)交流電壓的大小，可用平均值、峰值和有效值等多種方式(fngsh)來表示。 峰值的基本概念 交流電壓的峰值，是指交流電壓 u (t) 在一個(gè)周期內(nèi)（或一段觀察時(shí)間內(nèi)）電壓所達(dá)到的最大值。用（或Up）表示。 平均值的基本概念 平均值一般用 表示， 在數(shù)學(xué)上定義為 (4-1)2.交流(jioli)電壓的量值表示共四十六頁式中 T 被測(cè)信號(hào)的周期； u (t)被測(cè)信號(hào)，為時(shí)間的函數(shù)。 對(duì)于一個(gè)純粹的交流電壓，正半周和負(fù)半周完全相同中， 等于零。此時(shí)，無法用平均值來表征電壓的大小(dxio)。 交流電壓的測(cè)量中，交流電

4、壓的平均值是指經(jīng)過測(cè)量?jī)x器的檢波器后的全波平均值。定義為 (4-2)共四十六頁 有效值的基本概念 交流電壓的有效值是指均方根值 （rms)，用U或Urms表示。它的數(shù)學(xué)表示式為 U = (4-3) 它的物理意義為：在交流電壓的一個(gè)周期，這個(gè)交流電壓在某電阻負(fù)載(fzi)中所產(chǎn)生的熱能如果與一個(gè)直流電壓在同樣的電阻負(fù)載(fzi)中產(chǎn)生的熱能相等時(shí)，這個(gè)相當(dāng)?shù)闹绷麟妷褐稻褪窃摻涣麟妷旱挠行е?。各類交流電壓表的示值，除特殊情況外，都是用正弦有效值來刻度的。共四十六頁0.7070.637圖4.2 正弦波參數(shù)(cnsh)表示圖共四十六頁波形因數(shù)KF電壓的有效值與平均值之比稱為波形因數(shù)KF，即 (4-4)

5、波峰因數(shù)KP交流(jioli)電壓的峰值與有效值之比稱為波峰因數(shù)KP，即 (4-4) 表4.1為幾種典型的交流電壓波形的參數(shù)。 3.交流電壓(diny)量值的相互轉(zhuǎn)換共四十六頁 序號(hào) 名稱波形因數(shù) KF波峰因數(shù)KP有效值平均值1正弦波1.111.414UP/UP2半波整流1.472UP/UP3全波整流1.111.414UP/UP4三角波1.141.73UP/UP/24鋸齒波1.141.73UP/UP/6方波11UPUP7白噪聲1.243UPUP2121313.74表4.1 幾種典型的交流(jioli)電壓波形的參數(shù)共四十六頁4.常用(chn yn)電壓測(cè)量?jī)x器模擬式電壓表 一般是指“指針式電壓

6、(diny)表”，它把被測(cè)電壓(diny)加到磁電式電流表，轉(zhuǎn)換成指針偏轉(zhuǎn)角度的大小來度量。包括模擬萬用表和電子電壓(diny)表。另一種模擬測(cè)量是把被測(cè)量電壓(diny)變換成圖形高度來測(cè)量的儀表，如示波器等。數(shù)字式電壓表指把被測(cè)電壓的數(shù)值通過數(shù)字技術(shù)，變換成數(shù)字量，然后用數(shù)碼管以十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)量電壓值。共四十六頁4.2 模擬式電壓表4.2.1 簡(jiǎn)單(jindn)模擬直流電壓表1.單量程(lingchng)電壓表電路如圖4.3所示。圖中RV分壓電阻，阻值為 RV(UIg R g) / Ig (4-6)式中 RV 串接的分壓電阻； Ig 磁電式表頭流過的電流； R g 磁電式表頭內(nèi)阻。 共

7、四十六頁圖4.3 單量程(lingchng)直流電壓表原理圖圖4.4 多量程(lingchng)直流電壓表原理圖共四十六頁2.多量程(lingchng)電壓表圖4.4所示為四量程的直流電壓表。分壓電阻(dinz)分別以下式計(jì)算。RV1= RV2 (4-7) RV3 RV4 U1 I g R gI gU2 U1I gU3 - U2I gU4 - U3I g式中 U1、U2、U3、U4 各量程的滿量程電壓。共四十六頁4.2.2 簡(jiǎn)單模擬(mn)交流電壓表 模擬式交流(jioli)電壓表使用時(shí)應(yīng)注意：（1）交流電壓靈敏度低于直流電壓靈敏度，所以測(cè)量交流電壓的誤差大于測(cè)量直流電壓的誤差。（2）表盤上表

8、針的偏轉(zhuǎn)角度近似于交流電壓的半波（或全波）整流電壓平均值，但表盤上刻度是按正弦有效值刻度的。（3）模擬萬用表測(cè)量交流電壓的頻率范圍在44Hz100Hz。（4）一般在交流電壓低量程檔刻度是非線性的，因此，交流電壓10V檔單獨(dú)刻度。共四十六頁4.3 電子(dinz)電壓表 電子電壓表在萬用表的基礎(chǔ)上加上放大環(huán)節(jié)，把微弱(wiru)的被測(cè)電壓加以放大，然后再利用磁電式表頭進(jìn)行測(cè)量的儀表。4.3.1 概述1.電子電壓表的結(jié)構(gòu) 電子電壓表一般由分壓器、磁電式指示表頭、檢波器、放大器和整機(jī)電源等五部分組成。按檢波器在放大器之前或之后，電子電壓表有兩種組成形式，即放大-檢波式和檢波-放大式。共四十六頁放大(

9、fngd)-檢波式 （ 如圖4.4所示。） 放大-檢波式的通頻帶一般為2Hz10MHz，測(cè)量(cling)的最小幅值為幾百微伏或幾毫伏，因此一般稱為低頻毫伏表。圖4.4 放大-檢波式電壓表組成框圖被測(cè)信號(hào)共四十六頁檢波(jinb)-放大式（如圖4.6所示。） 這種方案的主要特點(diǎn)是被測(cè)信號(hào)先檢波后放大，其帶寬(di kun)可很寬，上限頻率可達(dá)1000 MHz，故有超高頻毫伏表之稱。圖4.6 檢波-放大式電壓表組成框圖被測(cè)信號(hào)共四十六頁2. 電子(dinz)電壓表的性能指標(biāo)（1）工作頻率范圍 指電子電壓表按規(guī)定的準(zhǔn)確度進(jìn)行(jnxng)測(cè)量的的電壓范圍。（2）靈敏度和量程 量程是指電子電壓表可以

10、測(cè)量的電壓范圍；靈敏度則是指量程的下限。（3）準(zhǔn)確度和工作誤差 電子電壓表的準(zhǔn)確度通常由基本誤差、頻率附加誤差、溫度附加誤差等系統(tǒng)誤差來表征。（4）輸入阻抗 指輸入電阻R i和輸入電容C i的并聯(lián)值。共四十六頁4.3.2 電子(dinz)電壓表的分壓器1. 可變分壓器 可變分壓器的電路(dinl)如圖4.7所示。這種分壓器也常稱為低阻分壓器。圖4.7 可變分壓器的電路共四十六頁 圖4.8所示為補(bǔ)償(bchng)式分壓器，也稱作高阻分壓器。2. 補(bǔ)償(bchng)式分壓器圖4.8 補(bǔ)償式分壓器的電路共四十六頁 補(bǔ)償式分壓器的分壓比為輸出電壓u 0與輸入電壓u i之比，也等于R1C1的并聯(lián)阻抗Z1

11、與R2C2的并聯(lián)阻抗Z2的阻抗比。即 當(dāng) ，即R1C1=R2C2時(shí)。輸出響應(yīng)為臨界(ln ji)補(bǔ)償狀態(tài)，如4.9（a）所示。當(dāng) ，即R1C1R2C2時(shí)。輸出響應(yīng)(xingyng)為過補(bǔ)償狀態(tài)，如4.9（c）所示。圖4.9 不同(b tn)補(bǔ)償時(shí)的波形圖共四十六頁4.3.3 電子(dinz)電壓表的檢波器1. 峰值檢波器 峰值檢波器檢波后的直流電壓 UDC正比于輸入(shr)的交流電壓的峰值。 圖4.10峰值檢波器電路12DRC+-Ui工作原理 實(shí)現(xiàn)峰值檢波的基本電路如圖4.10所示。波形如圖4.11所示。共四十六頁圖4.11 峰值檢波的波形圖共四十六頁刻度特性 峰值檢波器檢波后的直流電壓 U

12、DC正比于被測(cè)電壓的峰值UP 。而一般情況下，峰值電壓表的讀數(shù)刻度是按正弦(zhngxin)波的有效值刻度的，即表頭上的讀數(shù) 正比于被測(cè)正弦(zhngxin)信號(hào)的有效值。所以，采用峰值檢波器的電壓表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，讀出的數(shù)據(jù)已通過一個(gè)因數(shù)K P 進(jìn)行正弦波峰值有效值的變換。 共四十六頁式中 電壓表讀數(shù)； U 正弦電壓有效值； K P 正弦電壓的波峰因數(shù)。同理，當(dāng)用峰值電壓表測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，讀數(shù) 更是沒有直接意義，把讀數(shù)值乘以 K P 等于(dngy)被測(cè)電壓與正弦波對(duì)應(yīng)的峰值。按“峰值相等則讀數(shù)相等”的原則，再經(jīng)過波形換算可求得被測(cè)波形的實(shí)際值。(4-10) 共四十六頁2.均值(jn zh)

13、檢波器 均值檢波器是對(duì)放大(fngd)后的被測(cè)電壓 u x進(jìn)行檢波，使檢波后的直流電壓UDC正比于輸入交流電壓的平均值。工作原理 實(shí)現(xiàn)均值檢波的基本電路如圖4.12所示。D2D4D1D3圖4.12 均值檢波器的電路共四十六頁 設(shè)輸入(shr)電壓為U x (t) ，D1D4具有相同的正向電阻Rd、相同的反向電阻為 R r，微安表內(nèi)阻r m。于是正向平均電流為反向平均電流則為流過微安表為(4-11)共四十六頁 通常(tngchng)，Rd為100400，r m為14k， Rr300400k，故式（4-8）可簡(jiǎn)化為 (4-12)2Rd + r m刻度特性 均值檢波后的直流電壓 UDC是正比于被測(cè)電

14、壓的平均值 U的。而一般情況下，均值電壓表的讀數(shù)刻度也是按正弦波有效值刻度的，即表頭上的讀數(shù) 正比于被測(cè)正弦信號(hào)(xnho)的有效值。所以，采用均值檢波器的電壓表進(jìn)行刻度時(shí)，應(yīng)通過一個(gè)因數(shù) KF進(jìn)行變換。 共四十六頁 = U = K F (4-14)式中 電壓表讀數(shù)； U 正弦電壓有效值； K F 正弦電壓的波形因數(shù)。 與峰值電壓表一樣，只有測(cè)量正弦電壓時(shí)，從電表上讀得的數(shù)值才有實(shí)際意義。 當(dāng)用均值電壓表測(cè)量非正弦波電壓時(shí)，讀數(shù) 沒有直接意義，只有把讀數(shù)值除以 K F才等于被測(cè)電壓 u x的平均值 U。要求(yoqi)被測(cè)電壓的有效值，須經(jīng)過波形換算，按“平均值相等則讀數(shù)相等”的原則。共四十六

15、頁3. 有效值-直流變換(binhun)電路有效值直流變換電路(dinl)有分段逼近式檢波器、熱電偶式變換電路和模擬計(jì)算式變換電路。（1）分段逼近式檢波器 采用二極管的鏈?zhǔn)诫娐?，適當(dāng)選擇直流電源和分壓電阻值，使二極管輪流導(dǎo)通，獲得近似平方律的伏安特性。共四十六頁（2）熱電偶式變換電路 有效值直流變換電路是根據(jù)熱電變換原理來完成交流(jioli)電壓有效值到直流電流之間變換的。（3）模擬計(jì)算變換式 即利用集成乘法器、積分器和開方器等計(jì)算電路，按公式(gngsh) ，直接完成有效值的運(yùn)算。共四十六頁共四十六頁例3.2.1用平均值表（全波式）分別測(cè)量方波及三角(snjio)波電壓，電壓表均指在10V

16、位置，問被測(cè)電壓的有效值分別是多少？對(duì)于方波，先將示值（10V）折算成正弦波的平均值再用波形系數(shù)(xsh)換算成有效值。對(duì)于三角波，因示值與方波相同，表明它的平均值也是9V,有效值共四十六頁（1）輸入阻抗高，可達(dá)數(shù)兆歐姆，工作頻率寬，高頻可達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz以上，低頻小于10KHz。（2）讀數(shù)按正弦有效值刻度，只有測(cè)量正弦電壓時(shí)，其有效值才是被測(cè)波形得真正有效值。測(cè)量非正弦電壓時(shí)，其有效值必須通過波形換算獲得。（3）波形誤差大。（4）讀數(shù)刻度不均勻(jnyn)，因?yàn)樗窃谛⌒盘?hào)時(shí)進(jìn)行檢波。4.3.5 三種檢波(jinb)方式電壓表的比較1. 峰值電壓表共四十六頁2. 均值(jn zh)電壓表（1）均

17、值檢波器的輸入阻抗低，必須采用過阻抗變換來提高電壓表的輸入阻抗。工作頻率一般(ybn)為20Hz1MHz。（2）讀數(shù)是按正弦波有效值刻度，只有測(cè)量正弦電壓時(shí)，讀數(shù)才正確，若測(cè)量非正弦電壓，也要進(jìn)行波形換算。（3）波形誤差相對(duì)不大。（4）因?yàn)槭菍?duì)大信號(hào)進(jìn)行檢波，讀數(shù)刻度均勻。共四十六頁3. 有效值電壓表（1）讀數(shù)是按正弦電壓有效值刻度，測(cè)量正弦波或非正弦電壓的有效值，可直接從表上讀數(shù)，無需換算。（2）輸入阻抗高，工作頻率在峰值(fn zh)與均值電壓表之間。高頻可達(dá)幾十MHz ，低頻小于40Hz 。共四十六頁內(nèi)容摘要第4章 電壓的測(cè)量(cling)。不同端點(diǎn)的輸出阻抗不同。一般是指“指針式電壓表”，它把被測(cè)電壓加到磁電式電流表，轉(zhuǎn)換成指針偏轉(zhuǎn)角